La fisica atomica e nucleare descrivono entrambe la fisica dei più piccoli. Quando lavori con oggetti così piccoli, la tua intuizione costruita dalla tua comprensione della meccanica classica spesso fallisce. Questo è il regno della meccanica quantistica, delle forze nucleari a corto raggio, delle radiazioni elettromagnetiche e del modello standard della fisica delle particelle.
Cos'è la fisica atomica?

La fisica atomica è il ramo della fisica che si occupa della struttura di l'atomo, gli stati energetici associati e l'interazione dell'atomo con particelle e campi. Al contrario, la fisica nucleare si concentra specificamente su ciò che accade all'interno del nucleo atomico, che sarà descritto in maggior dettaglio nella sezione successiva.

Vi sono diversi elementi di studio nella fisica delle particelle. Innanzitutto è la struttura dell'atomo stesso. Gli atomi sono costituiti da un nucleo strettamente legato, che contiene protoni e neutroni, e una nuvola di elettroni diffusa.

Dato che il nucleo è di solito nell'ordine di 10 ^{da -15 a 10 -14 m di diametro e gli atomi stessi sono dell'ordine di 10 -10 m di diametro (e la dimensione degli elettroni è trascurabile), si scopre che gli atomi sono per lo più spazio vuoto. Ovviamente non sembrano come sono e tutta la materia fatta di atomi sembra certamente sostanza.}

La ragione per cui gli atomi non sembrano essere per lo più spazio vuoto è che anche tu sei fatto di atomi, e tutti gli atomi interagiscono con l'energia elettromagnetica. Anche se la tua mano, che è composta principalmente da atomi di spazio vuoto, preme contro un tavolo, anch'esso costituito da uno spazio prevalentemente vuoto, non passa attraverso il tavolo a causa delle forze elettromagnetiche tra gli atomi quando entrano in contatto.

Il neutrino, una particella che non interagisce con la forza elettromagnetica, è comunque in grado di passare attraverso la maggior parte del materiale atomico praticamente inosservato. In effetti, 100 trilioni di neutrini passano attraverso il tuo corpo ogni secondo!
Classificazione degli atomi

Gli atomi sono classificati in base al numero atomico nella tavola periodica. Il numero atomico è il numero di protoni che l'atomo contiene nel suo nucleo. Questo numero definisce l'elemento.

Mentre un dato elemento avrà sempre lo stesso numero di protoni, può contenere diversi numeri di neutroni. Isotopi diversi di un elemento contengono numeri diversi di neutroni. Alcuni isotopi sono più stabili di altri (il che significa meno probabilità di decadere spontaneamente in qualcos'altro), e questa stabilità dipende in genere dal numero di neutroni, motivo per cui, per la maggior parte degli elementi, la maggior parte degli atomi tende ad essere di un isotopo specifico .

Il numero di elettroni contenuti in un atomo determina se è ionizzato o caricato. Un atomo neutro contiene lo stesso numero di elettroni dei protoni, ma a volte gli atomi possono guadagnare o perdere elettroni e caricarsi. La facilità con cui un atomo guadagna o perde elettroni dipende dalla sua struttura orbitale elettronica.

L'atomo di idrogeno è l'atomo più semplice, contenente solo un protone nel suo nucleo. I tre isotopi più stabili dell'idrogeno sono il protio (che non contiene neutroni), il deuterio (contenente un neutrone) e il trizio (contenente due neutroni) con il protio che è il più abbondante.

Sono stati proposti diversi modelli dell'atomo gli anni, portando al modello attuale. I primi lavori furono eseguiti da Ernest Rutherford, Niels Bohr e altri.
Spettri di assorbimento ed emissione

Come accennato, gli atomi interagiscono con la forza elettromagnetica. I protoni in un atomo trasportano carica positiva e gli elettroni portano carica negativa. Gli elettroni nell'atomo possono assorbire le radiazioni elettromagnetiche e conseguentemente raggiungere uno stato di energia più elevato, oppure emettere radiazioni e spostarsi verso uno stato di energia inferiore.

Una proprietà chiave di questo assorbimento ed emissione di radiazione è che gli atomi assorbono ed emette radiazioni solo a valori quantizzati molto specifici. E per ogni diverso tipo di atomo, questi valori specifici sono diversi.

Un gas caldo di materiale atomico emetterà radiazioni a lunghezze d'onda molto specifiche. Se la luce proveniente da questo gas viene fatta passare attraverso uno spettroscopio, che diffonde la luce in uno spettro per lunghezza d'onda (come un arcobaleno), appariranno linee di emissione distinte. L'insieme delle linee di emissione provenienti dal gas può essere letto quasi come un codice a barre che ti dice esattamente quali sono gli atomi nel gas.

Allo stesso modo, se uno spettro continuo di luce è incidente su un gas freddo, e la luce che passa attraverso quel gas viene quindi passato attraverso uno spettroscopio, vedresti uno spettro continuo con lacune scure alle specifiche lunghezze d'onda che il gas ha assorbito. Questo spettro di assorbimento apparirà come l'inverso dello spettro di emissione, le linee scure che appaiono dove erano le linee luminose per lo stesso gas. Come tale, può anche essere letto come un codice a barre che ti dice la composizione del gas. Gli astronomi lo usano continuamente per determinare la composizione del materiale nello spazio.
Cos'è la fisica nucleare?

La fisica nucleare si concentra sul nucleo atomico, sulle reazioni nucleari e sull'interazione del nucleo con altre particelle. Esplora il decadimento radioattivo, la fusione nucleare, la fissione nucleare e l'energia di legame, tra gli altri argomenti.

Il nucleo contiene un gruppo strettamente legato di protoni e neutroni. Tuttavia, queste non sono particelle fondamentali. Protoni e neutroni sono fatti di particelle ancora più piccole chiamate quark
.

I quark sono particelle con carica frazionata e nomi un po 'sciocchi. Vengono in sei cosiddetti sapori: su, giù, sopra, sotto, strano e affascinante. Un neutrone è composto da due quark down e un quark up e un protone è composto da due quark up e un quark down. I quark in ciascun nucleo sono strettamente legati dalla forte forza nucleare.

La forte forza nucleare è mediata da particelle chiamate gluoni
. Stai avvertendo un tema? Gli scienziati si sono divertiti molto a nominare queste particelle! I gluoni, ovviamente, "incollano" i quark insieme. La forte forza nucleare agisce solo a una distanza molto breve - a una distanza paragonabile al diametro del nucleo di dimensioni medie.
Energia vincolante

Ogni neutrone isolato ha una massa di 1.6749275 × 10 ^{-27 kg e ogni protone isolato ha una massa di 1,6726219 × 10 -27 kg; tuttavia, se legati insieme in un nucleo atomico, la massa atomica non è la somma delle sue parti costituenti a causa di qualcosa chiamata energia legante.}

Diventando strettamente legati, i nucleoni raggiungono uno stato di energia inferiore a causa di parte della massa totale che avevano come singole particelle convertite in energia. Questa differenza di massa che viene convertita in energia è chiamata energia di legame del nucleo. La relazione che descrive quanta energia corrisponde a una determinata quantità di massa è la famosa equazione E \u003d mc ^{2 di Einstein dove m
è la massa, c
è la velocità della luce e E
è l'energia.}

Un concetto correlato è l'energia di legame per nucleo, che è l'energia di legame totale di un nucleo mediata sulle sue parti costitutive. L'energia di legame per nucleo è un buon indicatore di quanto sia stabile un nucleo. Una bassa energia di legame per nucleo indica che potrebbe esistere uno stato più favorevole di energia totale inferiore per quel particolare nucleo, il che significa che probabilmente vorrà separarsi o fondersi con un altro nucleo nelle condizioni appropriate.

In generale , i nuclei più leggeri dei nuclei di ferro tendono a raggiungere stati di energia più bassi e un'energia di legame più elevata per nucleo, fondendosi con altri nuclei, mentre i nuclei più pesanti del ferro tendono a raggiungere stati di energia più bassi suddividendoli in nuclei più leggeri. I processi attraverso i quali si verificano questi cambiamenti sono descritti nella sezione successiva.
Fissione, fusione e decadimento radioattivo

L'obiettivo principale della fisica nucleare è lo studio della fissione, fusione e decadimento dei nuclei atomici. Tutti questi processi sono guidati da una nozione fondamentale secondo cui tutte le particelle preferiscono stati energetici più bassi.

La fissione si verifica quando un nucleo pesante si rompe in nuclei più piccoli. I nuclei molto pesanti sono più inclini a farlo perché hanno un'energia di legame più piccola per nucleo. Come ricorderete, ci sono alcune forze che governano ciò che sta accadendo in un nucleo atomico. La forte forza nucleare lega strettamente i nucleoni, ma è una forza a corto raggio. Quindi, per nuclei molto grandi, è meno efficace.

I protoni caricati positivamente nel nucleo si respingono a vicenda tramite la forza elettromagnetica. Questa repulsione deve essere superata dalla forte forza nucleare e può anche essere mediata con abbastanza neutroni intorno. Ma più grande è il nucleo, meno favorevole è l'equilibrio di forze per la stabilità.

Quindi i nuclei più grandi tendono a voler spezzarsi o attraverso processi di decadimento radioattivo o tramite reazioni di fissione come quelle che si verificano nei reattori nucleari o Bombe a fissione.

La fusione si verifica quando due nuclei più leggeri raggiungono uno stato energetico più favorevole combinandosi in un nucleo più pesante. Tuttavia, affinché si verifichi la fissione, i nuclei in questione devono avvicinarsi abbastanza l'un l'altro in modo che la forza nucleare forte possa prendere il sopravvento. Ciò significa che devono muoversi abbastanza velocemente da poter superare la repulsione elettrica.

I nuclei si muovono rapidamente a temperature estreme, quindi questa condizione è spesso richiesta. Ecco come la fusione nucleare può avvenire nel nucleo estremamente caldo del sole. Fino ad oggi, gli scienziati stanno ancora cercando di trovare un modo per far avvenire la fusione fredda, cioè la fusione a temperature più basse. Poiché l'energia viene rilasciata nel processo di fusione e non lascia scorie radioattive come tendono a fare i reattori a fissione, sarebbe una risorsa energetica incredibile se raggiunta.

Il decadimento radioattivo è un mezzo comune con cui i nuclei subiscono i cambiamenti per diventare più stabile. Esistono tre tipi principali di decadimento: decadimento alfa, decadimento beta e decadimento gamma.

Nel decadimento alfa, un nucleo radioattivo rilascia una particella alfa (un nucleo di elio-4) e di conseguenza diventa più stabile. Il decadimento beta è disponibile in alcune varietà, ma in sostanza deriva dal fatto che un neutrone diventa un protone o un protone che diventa un neutrone e rilascia un β ^{-
o β +
particella (un elettrone o un positrone). Il decadimento gamma si verifica quando un nucleo in uno stato eccitato rilascia energia sotto forma di raggi gamma, ma mantiene il suo numero complessivo di neutroni e protoni.
Il modello standard di fisica delle particelle}

Lo studio della fisica nucleare si estende nel più ampio campo della fisica delle particelle, che mira a comprendere il funzionamento di tutte le particelle fondamentali. Il modello standard classifica le particelle in fermioni e bosoni, quindi classifica ulteriormente fermioni in quark e leptoni e bosoni in bosoni calibro e scalari.

I bosoni non obbediscono alle leggi sulla conservazione dei numeri, ma i fermioni lo fanno. Esiste anche una legge di conservazione per i numeri di leptone e quark oltre ad altre quantità conservate. Le interazioni delle particelle fondamentali sono mediate dai bosoni che trasportano energia.
Applicazioni della fisica nucleare e della fisica atomica

Le applicazioni della fisica nucleare e atomica sono abbondanti. I reattori nucleari nelle centrali nucleari creano energia pulita sfruttando l'energia rilasciata durante i processi di fissione. La medicina nucleare fa uso di isotopi radioattivi per l'imaging. Gli astrofisici usano la spettroscopia per determinare la composizione di nebulose distanti. La risonanza magnetica consente ai medici di creare immagini dettagliate degli interni dei loro pazienti. Anche la tecnologia a raggi X fa uso della fisica nucleare.